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潤滑油的發展歷史以及演變過程

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潤滑油的發展歷史以及演變過程

發布日期:2020-01-13 08:55 來源:http://www.eyntra.buzz 點擊:

“潤滑”一詞,要解決的是經典力學的摩擦問題,如今我們擁有相對論與量子力學,但幾千年來的生活也未能擺脫摩擦的束縛。所以實際上,潤滑油的起源和路邊停得到處都是的輪子沒有兩樣,人類在文明的起始就已經點亮了這一路天賦樹。


01

從植物油到礦物質油


至少在公元前17世紀,古埃及就出現了使用橄欖油來搬運巨石的記載,而到了公元前14世紀,人類甚至能用動物的油脂對戰車輪軸進行潤滑,但受限于對食物的需求,一直到中世紀才能穩定的從動植物當中提取潤滑物質。近代文明的爆發始于第一次工業革命,而現代意義上的潤滑油,也跟隨著石油產量的井噴得到新生。

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Peter Kalm


1747年,31歲的冒險家Peter Kalm接受了瑞典皇家科學院的一項任務:旅行至北美進行冒險,并帶回有助于瑞典農業發展的作物。不過第二年他所繪制的一幅地圖卻使他以另一種方式被銘記。地圖里的地方,后來被稱為油泉之春。1859年Edwin L. Drake在這里建立起第一口商業油井,有趣的是這口油井在一個多月以后就被明火點燃毀壞,Drake不得不進行重建,在今天看來,那卻是人類文明史上的一道火光。

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Edwin L. Drake

Drake的油井打開了石油紀元,加速了人類使用礦物油的進程,然而當時的產品看似優越,卻富有爭議:未經處理的原油不能展現出卓越的潤滑性能,甚至無法與大多數動物脂肪產品相比。

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美國,賓夕法尼亞州,油泉之春

彼時一個準備進入卡爾斯魯厄大學的德國少年,在26年后成為了轉折點。作為意義上第一臺汽油機汽車的發明者,Karl BenZ開始了汽車市場病毒式的擴張。繁榮的汽車業對潤滑的需求也一樣繁榮。這個階段溶劑精制的基礎油成為了最好的選擇,加上各廠商的積極改良,礦物油最終占領了全世界——事實上這段時間里,誕生了許多知名的機油廠商,比如耳熟能詳的殼牌、??松梨?、嘉實多,比如BP、Motul、勝牌等等等等。


意義上的第一臺汽車來自奔馳,當時整個行業未有健全的標準,設計師們時有蘇東坡時有李清照,不同潤滑油之間風格迥異。全球化的進程中廠商之間沒有統一的標準,就得付出極大代價。于是從1911年開始,SAE(美國汽車工程師協會)著手解決這個問題,并發布了SAE J300,今天我們能使用各種級別的潤滑油來應對不同的車型、天氣、地區,都始于這里。


02

SAE如何對機油分級?

當時潤滑油能夠承受的最高工作溫度也就在100℃左右,而潤滑油的粘度特性隨溫度升高卻是下降的,環境溫度過高會導致潤滑油過稀,無法形成有效的油膜對零部件進行潤滑保護。因此,選定100℃作為基準溫度對潤滑油的粘度進行測試,具有一定的參考意義。


粘度又是怎么測試的呢?工程師們使用的是粘度計,讓潤滑油流經特定的管道,測試所需時間,量化這個過程的參數就叫做運動粘度。對于普通人而言這個參數不易理解,而且實際上粘度差別不大時,潤滑油區別也未必有那么大,所以SAE最終對其進行了分級。

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粘度計

SAE分級

SAE30的性能由于覆蓋了大部分區域的需求,成為當時接受度最廣的級別。而粘度更高或者更低的潤滑油,就更多的被用來處理極端工況,比如賽車發動機的溫度更高,就得用上SAE 40、SAE50的潤滑油了。


1930年之前,潤滑油只能滿足汽車行駛1500km左右的里程,不夠耐用的問題促使廠商們加速添加劑的研發進程,這個階段工程師們發現了鋅與磷可以作為耐磨劑的核心,鈣與鎂則是清潔劑和耐酸劑的關鍵等等,添加劑極大的延長了潤滑油的壽命,并在1940年前后得到了商業化,但這還不夠。

從植物油到礦物質油

一戰和二戰期間,飛機數量的井噴對發動機的轉速、負荷提出了更高的要求,戰爭結束后這些要求就被放到了汽車上,最明顯的體現就是豪華轎車的性能已能與戰前的賽車比肩,這也意味著民用市場對SAE 50的需求開始增加。遺憾的是,SAE 50高溫時剛好有足夠的粘度去應付高性能發動機,環境溫度一低則顯得過于粘稠。此時,不論是工程師還是消費者,都已經認識到了一個問題:現有的分級制度不足以描述已有機油產品的低溫性能。


二戰當中塑料行業附著于石油化工飛速發展,工程師們也是在這時發現了高分子材料的潛力:粘度強化劑可以在溫度升高的時候減緩機油粘度下降的趨勢。比如SAE 30的潤滑油經過改造,不僅能在保證自身低溫性能的同時,還能在高溫環境達到SAE 50的粘度。為了區別潤滑油是否進行了這種處理,1952年 SAE開始對這種機油進行復合分級,Winter is coming,“W”得以出現。

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SAE 30的潤滑油,由于可以滿足-10℃以上的環境,也被等效為SAE 20W30,假如經過改造使其達到了SAE50的標準,那么就成為了SAE 20W50。這種分級制度很快就為行業所接受,而戰前最受歡迎的SAE 30,戰后已然變成了SAE 20W50了。

早期這種復合級別的機油也存在缺陷:粘度強化劑很容易被氧化成有害物質。面對這個事實,人們找到的第一個答案是全合成機油,可是當時其價格往往是普通機油的三倍以上,難以推廣。

03

SAE符合級別是如何完善的?

隨著復合級別機油的流行,SAE意識到了J300的局限:復合級別與單級別的機油相比,在高溫高壓的條件下粘度屬性非常不同,一些復合級別的機油在高溫下容易失效。于是1970至1975年間,SAE 對J300進行了修訂,新增了150℃超高溫測試。至于后來潤滑油技術的不斷進步,也不停的在推動的這個標準的變動,過往的種種嚴謹,才能夠使得今天的我們有更好的依據。


如今,SAE J300將不含粘度強化劑的機油認定為單級別機油,并定義了6個冬季級別和5個夏季級別,這兩類級別的測試方法、使用的單位都不一樣,所以像0W40以及5W40這樣的復合級別產品,就必須同時通過兩種級別的測試。

在夏季級別的測試當中,為了保證機油存有余力應對溫度變高而粘度變稀的過程,較高的牌號是消費者的優選。但如前所說,級別是以一定粘度范圍來劃定的,比如下面四個品牌的機油,盡管級別相同,都是0W40或者5W40,但相比來說3M的粘度就要明顯高一些,S牌和C牌則不相上下。這有點像考試,95~100分都算A+,而100分相比95分還是有點不一樣。

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高溫機油粘度表現

低溫環境下粘度如果過高,反而會造成發動機冷啟時,機油流動性較差,不能及時對零部件進行潤滑,所以粘度較低的級別更好。圖里就可以看到,5W40由于冬季級別標號值較大,四個品牌的粘度都要高于自家的0W40產品。而當確定級別時,低溫流動性一樣有所區別,0W40與5W40的全合成產品里,3M優于其他幾款產品,而5W40的半合成產品,S牌以微弱的優勢領先。

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低溫機油粘度表現

60年代前,除了SAE的粘度分級外,并無有效的標準對機油質量進行管控:將石蠟從原油提煉出來并不只有一種方法,煉制出的基礎油成分也不太一樣,比如有的微粒溶解度更高不容易產生雜質,有的芳香烴成分比較多就容易揮發、氧化等等。美國石油組織(API)也因此開始嘗試建立一種規范,這就是今天API分級系統的前身。

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API(美國石油組織)分級制度又是什么?

就汽油機而言,API把1960年之前的機油定義為“SB”,但當時還存在著一種更高的等級,叫做“API Service MS”, 1968年以后則分別被修改成今天我們所稱呼的“API SC”,或者“SD”。


這個標準從出現到今天已經修訂、廢除了很多版本,如今只剩1996年的SJ、2000年的SL、2004年的SM以及2010年最新、要求最高的SN了。

基礎油根據不同的生產工藝,更是被分成了幾大類:溶劑精制的一類基礎油實際上包含了芳香烴偏高、偏低的兩個子類,這種基礎油的粘度系數都很低,而且硫含量高,并不環保;二類基礎油則進行了加氫處理,與一類相比更加純凈、穩定,幾乎不含硫成分;加氫異構化的三類基礎油本質依然是礦物油,比較優異的產品也可以與合成機油相媲美,不過也有很多不足。

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